【东吴证券】无源+有源光器件平台化布局，全面受益AI算力建设浪潮.pdf

2023-09-13

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1. 天孚通信：深耕光器件近二十年，业绩稳定增长

1.1. 公司提供光器件整体解决方案，拥有十三大产品线八大解决方案

苏州天孚光通信股份有限公司成立于 2005 年，深耕光器件领域多年，是业界领先的光器件整体解决方案提供商。公司通过自主研发和产业并购，在精密陶瓷、工程塑料、复合金属、光学玻璃等基础材料领域积累沉淀了多项业界领先的工艺技术，产品广泛应用于光纤通信、光学传感、激光雷达、生物光子学等领域。同时，公司注重国际化产业布局，以苏州为总部和研发中心，日本和深圳为研发分支，江西、深圳和苏州为量产基地，泰国工厂也预计将于今年投入运营。

天孚通信致力于各类中高速光器件产品的研发、生产、销售和服务，拥有十三大产品线。同时为下游客户提供垂直整合一站式解决方案，共拥有八大解决方案，包括高速率同轴器件封装解决方案、高速率 BOX 器件封装解决方案、AWG 系列光器件无源解决方案、微光学解决方案等。天孚通信各类产品线及方案可分为光无源器件和光有源器件。自成立以来公司深耕光无源器件领域，并依托于在无源器件和有源耦合上的技术沉淀，开辟光电集成有源产品，实现多产品线垂直整合；同时公司利用激光雷达和光通信器件的技术复用性，开拓激光雷达市场并实现量产交付，有望开启新增量业务。

1.2. 实控人伴随公司成长，股权激励彰显对公司发展信心

创始人伴随公司成长至今，为公司实际控制人。董事长及总工程师邹支农、董事欧洋夫妇为公司创始人，与其子女作为一致行动人，截至 2023 年 7 月 25 日，通过苏州天孚仁和投资管理有限公司持股 38.13%。

公司多次推出股权激励计划，绑定核心人才。为了充分调动董事、高级管理人员、核心技术（业务）人员的积极性和创造性，有效提升核心团队凝聚力和企业核心竞争力，公司分别于 2018 年与 2021 年推出股权激励计划，其中 2021 年股权激励计划业绩考核指标为 2021-2023 年净利润分别达 3.2/3.7/4.2 亿元，对应年复合增长率 14.6%。

1.3. 公司业绩稳步增长，盈利能力保持稳定

近几年天孚通信营收及净利润均稳步增长。公司 22 年总营业收入为 12.0 亿元，同比增长 15.9%；2023 年上半年营业收入为 6.6 亿元，同比增长 15.0%。2022 全年及 2023 年上半年公司分别实现归母净利润 4.0/2.4 亿元，同比增长 31.5%/36.4%。

天孚通信光有源器件业务稳步发展，不断优化产品结构筑牢盈利能力。在营收基石光无源产品表现稳健的同时，公司近几年开辟的光有源器件收入也从 2021 年的 0.9 亿元增长至 2022 年的 2.2 亿元，营收占比则从 2021 年的 8.23%提升至 2022 年的 18.2%，并在 2023 年上半年达到 34.4%。同时，公司不断优化客户和产品结构，推动产品单价稳步提升并在 2023 年 H1 实现翻倍，筑牢盈利能力，毛利率及归母净利率在 2022 年达 51.6%/33.7%，近几年均稳定在 50%/30%左右。

天孚通信持续多年保持高强度研发投入，费用率控制得当。天孚通信坚持以研发为龙头，力争长期保持在光器件领域创新性、探索性、引领性，近几年发力开辟光有源器件产品线，研发费用率维持在 10%左右。同时公司持续提高管理运营效率，近三年三费总费用率逐年下降。

2. 光器件：光通信产业链上游核心环节，AI 拉升空间

2.1. 光通信：最主流的信息传输方式，用到的光器件有多种类别

光通信是以光波为载体的通信方式，目前已成为全球最主流的信息传输方式。通信系统可以将信息从一个地方传递到另一个地方，光通信是利用光纤传输信息的光波通信系统。基本的光通信系统由光发射机、通信通道和光接收机三部分组成，其中光发射机将电信号转换成光信号并将得到的光信号发射到光纤，光接收机将光纤输出的光信号还原为电信号。

光通信产业链涉及上游芯片元器件到下游终端设备。光通信行业上游光器件厂商利用自产或采购的激光器、探测器芯片，与半导体制冷器（TEC）、自由空间隔离器、非球面透镜等元器件通过光器件设计制造工艺生产出光发射器件（TOSA）、光接收器件（ROSA）等光器件产品，销售给下游光模块厂家。后者将 TOSA、ROSA 等光器件与驱动电路和光、电接口等组装成光模块，集成于光通信系统设备，并最终应用在电信网络及数据中心等终端市场。

2.2. 光模块&光器件：光通信产业链中的重要部件

光模块是光通信系统物理层的基础构成单元之一，在 5G 光通信系统中光模块在系统设备中成本的占比可达 50%-70%，光发射器件及光接收器件等光器件为光模块核心部件，光器件的核心元件为光芯片。以 2022 年中端光模块硬件成本结构为例，光器件占比在 70%左右，发射及接收器件则是光器件最重要成本来源，越高端的光模块光芯片成本占比越高。

2.3. 产品趋势：低功耗硅光 CPO 方案将登上舞台，光引擎有望随之放量

光模块总功耗随通信速率提升，可插拔光模块在系统内功耗占比将倍增。根据思科数据，2022 年光通信交换机系统总功耗是 2010 年的 22 倍，其中包括光模块在内的光学相关组件功耗则为 26 倍。根据 LightCounting 及光纤在线，2018 年-2022 年部署在云数据中心的光模块总功耗为 330MW 或 1.2TWh，略高于目前云数据中心总功耗的 1%，预计 2028 年这一占比将提升至 8%以上。

硅基+CPO 方案为潜在最优解，CPO 渗透率预计将持续提升。与传统可插拔方案相比，CPO 方案可明显降低功耗，当单通道传输速率为 200G 时，CPO 方案功耗仅为可插拔方案一半左右，同时由于 CPO 方案中光芯片、光器件等（或光引擎）需与交换机 ASIC 封装在同一块基板中，硅基封装+硅光芯片有望成为最优解。Lightcounting 预测 CPO 方案在 800G 及 1.6T 光模块中的占比将于 2027 年达近 30%。

光引擎为 CPO 方案核心光学器件，有望持续渗透。在光模块-交换机芯片封装一体化的演变过程中，光模块端一体化程度也在不断提升。从 2.5D CPO 方案开始，光模块端将以光引擎的形式与交换机芯片集成在一张基板上，而在 3D CPO 方案中，光引擎将以集成光学芯片（Optic Integrated Chip，OIC）形式与交换机芯片通过中介层（Interposer）互联，在 CPO 方案中，光引擎将是最重要的光电器件。

2.4. 市场前景：电信与传统数通市场为基，AI 拉升相关需求

2.4.1. AI 市场：高算力需求推动 800G 光模块结构性增长

模型迭代数据量扩张，算力需求持续增加。历代 GPT 的参数量呈现指数级增长， ChatGPT 的总算力消耗约为 3640PF-days(每秒计算一千万亿次，需要计算 3640 天);GPT4 在 ChatGPT 的基础上增加了图像、视频等交互信息类型，内容容量扩大到 2.5 万字，所需的算力规模远大于单纯的文字交互。OpenAI 首席执行官 Sam Altman 接受公开采访表示，GTP-5 在 2024 年底至 2025 年发布，它的参数量为 GTP-3 的 100 倍，需要的计算量为 GTP-3 的 200-400 倍。随着 ChatGPT 的用户和应用范围的持续扩大，数据处理的压力增大，将带来庞大的算力需求。 AI 算力增速远超“摩尔定律”，硬件需求空间增势确定。根据 OpenAI，2012-2018 年 AI 计算量每年增长 10 倍，虽然之后增速会逐渐放缓，但增速仍远超“摩尔定律”，华为预测 2030 年全球 AI 算力将超 105ZFLOPS，2020-2030 年增长 500 倍，同时 IDC 预测中国AI 算力将从 2022 年的 268EFLOPS 增加至 2026 年的 1271EFLOPS，CAGR=47.6%。在 AI 算力爆发背景下相应数据传输硬件需求的快速增长也是必然趋势。

硬件算力提升，高速率传输拉动 800G光模块需求。英伟达于 2020 年5 月发布A100，双精度浮点运算速度从 7.8 TFLOPS 提升至 9.7 TFLOPS，8 块 A100 训练速度是 8 块 V100 的 3.5 倍；2022 年 3 月英伟达发布的 H100 双精度浮点运算速度则又相比 A100 在 8 位浮点运算能力上提升约 6 倍。快速提升的算力需要高速率传输架构与之适配，800G 等高速光模块的需求进而提升。以 H100 组成的 DGX H100 SuperPOD 为例，8 张 H100 GPU 组成一个 H100 System，每个 H100 System 都是一个节点，32 个 H00 System 节点组成一个可拓展单元（Scalable Unit, SU），目前最多由 4 个 SU 组成 DGX H100 SuperPOD，加上 ConnectX-7 网卡及 QM9700 交换机组成 DGX H100 SuperPOD 的网络架构。按照最大 SU 计算，单个 H100 SuperPOD 用到的 GPU 数量为 1016 片（对应 4 个 SU×32 个 H100 System 节点×8 片 H100 GPU，其中一个节点空间用于安装网络监控单元未放置 GPU），脊交换机和叶交换机数量则分别为 32 和 16 个。

每个 SU 分配 8 台叶交换机，计算节点和叶交换机间共建立 1024 个双向连接（4 个 SU×32 个 H100 System 节点×8 个叶交换机），叶-脊交换机间共建立 512 个双向连接（32 个叶交换机×16 个脊交换机）。最初版本的 DGX H100 SuperPOD 在节点-叶交换机间以 400G 传输，根据我们调研，后续网络架构中有望陆续换用 800G 及以上速率光模块，据此计算，后续节点-叶交换机间或将使用 2048 个 800G 光模块，叶-脊交换机间或将使用 1024 个 800G 光模块，800G 光模块与 H100 GPU 数量关系约为 3:1。参考 DGX A100 SuperPOD 的架构设计，当 SU 为 4 个时，采取双层架构，当 SU 为 7 个时，则采取三层架构，通过与上文中相同的计算过程可得到此时光模块与 GPU 数量比为 6:1 左右。随着之后对算力需求的提升，DGX H100 SuperPOD 或将同样推广至 7 个SU 三层架构，届时 800G 光模块与 H100 数量关系则或提高至 4:1 至 6:1。

基于以下数据及假设，我们测算截至 2030 年全球 AI 光模块及相关光器件总存量市场空间： 2030 年全球 AI 算力将达 105 ZFLOPS 即 1.05E+23 FLOPS；单片 H100 平均算力为 2000 TFLOPS 即 2E+15 FLOPS；等效 800G 光模块与 H100 数量比不同情境下为 3/4/5/6；单 G 价格 0.6 美元； AI 相关 800G 及以上光模块综合毛利率为 32%； AI 相关光模块原材料在营业成本占比 95% 。光器件在光模块中成本占比为 60%。经我们测算，当等效 800G 光模块与 H100 数量比分别为 3/4/5/6 时，直至 2030 年全球 AI 光模块累计存量市场空间分别为 720/960/1200/1440 亿美元，相关光器件累计存量市场空间分别为 279/372/465/558 亿美元。

2.4.2. 传统数通市场：云厂商资本开支稳步提升，800G 光模块落地正当时

全球数据量快速增长，云厂商算力资本开支有望继续抬升。全球每年产生的数据将从 2018 年的 33ZB 增长到 2025 年的 175 ZB，CAGR 为 26.9%。数据量爆发带来高数据处理需求，北美头部云厂商脸书、谷歌、亚马逊及微软的单季度资本开支在近五年实现倍增，2022 年四大厂商的资本开支达约 1502 亿美元，同比提升 18.5%，虽然受当地经济环境及设备交付延迟影响，2023年二季度总资本开支同比减少 8.1%达约 343 亿美元，但各厂商均对 AI 算力建设持积极态度，AI 算力支出有望出现结构性可观增长。

数据中心传输速率不断提升，800G 光模块加速渗透。近两年交换机主流速率将从 25.6T 向 51.2T 转换，为了满足提升的交换机速率，有两类光模块应用方案，一是提升光模块用量，如将 64 个 400G 光模块提升至 128 个，二是提升光模块速率，将 64 个 400G 光模块替换为 64 个 800G 光模块。与 400G 光模块相比，800G 光模块单 bit 功耗更低，对于云厂商来说更具经济实用性，因此，800G 光模块有望在传统云计算领域加速渗透。

2.4.3. 电信运营商市场：5G 建设进入下半场，运营商算力端建设支出占比增加

2023 年，我国 5G 投资逐步迈过高峰，国内 5G 基站数量增速趋于平稳。根据工信部，我国 2022 年新建 5G 基站 88.70 万个，累计建成投运 231.2 万个，2023 年新建、开通 5G 基站预计达 60 万个，届时 5G 基站总量将突破 290 万个。GSMA 数据显示，中国大陆是全球最大 5G 市场，2022 年底 5G 连接数已超过全球总量的 60%。《“十四五”信息通信行业发展规划》提出，我国每万人平均 5G 基站数将从 2020 年的 5 个提升至 2025 年的 26 个，届时 5G 基站总量达到约 390 万个，5G 用户普及率从 2020 年的 15%提升至 56%。三大电信运营商 2022 年资本开支合计为 3591 亿元，同比增长 2.0%，且云计算业务全部增长 100%以上，运营商云计算业务有望通过 AI 应用实现新一波扩张。同时从运营商资本开支结构上来看，“东数西算”及数字经济发展推动算力需求高速增长，三大运营商的资本开支向算力网络建设倾斜，2023 年三大运营商的算力网络相关资本开支指引合计约 891 亿元，同比增长 34.2%（其中中国电信 2022 年基数为预期值），在总资本开支中的占比从 2022 年的 18.9%进一步提升至 2023 全年预期的 24.8%。

3. 天孚通信：扎实研发铸就光器件产品平台，AI 浪潮中全面受益

公司持续高研发投入构建丰富产品序列，积淀高质产品拥有行业头部毛利率。公司始终注重研发，研发投入不断增长并维持在同业头部。经过十余年砥砺耕耘，公司在精密陶瓷、工程塑料、复合金属、光学玻璃等基础材料领域积累沉淀了多项全球领先的工艺技术。同时公司通过自有资金建设、股权收购等方式逐步扩大战略产品版图，目前已具备光收发模块上游配套光器件较为齐备品类的器件研发、规模量产能力，根据不同客户不同应用场景，公司为客户提供定制化光器件垂直一站式产品解决方案，享受到同业领先的毛利率。

公司前瞻布局高速光引擎产品及相关零组件，将在 AI 浪潮中全面受益。2020 年天孚通信募集资金 7.86 亿元，依托于公司在无源器件和有源耦合方面的技术沉淀，前瞻开辟光电集成有源产品，实现多产品线垂直整合。在 AI 算力加速建设的背景下，下游客户对高速光模块、高集成度光引擎及高速光器件的需求均同步扩大，公司有望全面受益。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）